植物修复重金属污染土壤的研究进展

王静 刘如

摘 要：土壤重金属污染直接影响植物生长和农作物的品质，并通过食物链对人类的生命健康造成威胁。植物修复是一种环境友好型修复技术，具有广阔的前景，主要包括植物固定、植物提取、植物挥发。但通常高富集和超积累植物因其生长缓慢、生物量小等缺点，难以高效地应用于实际土壤修复治理。该文介绍了植物修复的概念和原理，综述了强化植物修复土壤重金属的进展。

关键字：植物修复;重金属;土壤污染

中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）16-0110-03

Abstract：Soil heavy metal pollution directly affects plant growth and crop quality，and poses a threat to human life and health through the food chain. Phytoremediation is an environmentally friendly remediation technology with broad prospects，including phytostabilization，phytoextraction andphytovolatilization. However，due to their disadvantages such as slow growth and small biomass，it is difficult to apply high enrichment and super accumulative plants to practical soil remediation and management. In this paper，the concept and principle of phytoremediation were analyzed，and the progress of heavy metal strengthening measures in phytoremediation soil was reviewed.

Key words：Phytoremediation;Heavy metals;Soil contamination

随着城镇化和工业化的快速发展，土壤重金属（Cr、Pb、Ni、Cd、Hg、As等）污染问题越来越严重[1]。由于重金属的隐蔽性、不可降解、难以去除等特点[2]，直接危害植物生长影响农产品安全，进而通过食物链、食物网进入人体，对人类的健康造成极大的风险[3]。因此，找到一种高效可持续的土壤重金属修复方式至关重要。

传统的土壤修复方式，例如工程治理法（换土、客土、翻土等）成本高昂、工程量大、而且会破坏土体自身结构，物理化学治理技术（电动修复、热解修复、土壤淋洗等）工艺复杂难以实施、成本费用也相对较高[4]。植物修复也称为农业修复或绿色修复，是一种绿色可持续的原位修复方式，是利用植物对重金属配位体的螯合作用、细胞壁沉淀作用、区隔化作用等解毒机制[5]将土壤重金属吸收富集到植物地上部，并收割地上部达到移除重金属的目的，具有成本低、无二次污染、对周边环境干扰小等优点[6]。但是由于植物生物量小、生长周期长等缺点，很难在短期内达到预期效果，因此需要一些措施强化植物修复，以期提高修复效率。

1 植物修复类型

植物修复重金属污染土壤可根据治理的过程和机理分为：植物稳定、植物提取、植物挥发3种不同类型。植物稳定是利用植物根系作用将土壤中的重金属固定在其根系中，从而降低重金属的活性和生物有效性，或促进其转化为低毒形态，降低其危害性[7]。印度芥菜的根能使有毒的、生物有效性高的将Cr6+还原为低毒的、生物有效性低的Cr3+[8]。但是重金属仍然存在于土壤中，一旦土壤环境发生变化，可能会造成二次污染，因此不是一种持久的方法[9]。

植物提取是利用植物将土壤中的重金属元素吸收富集到植物地上部分，再通过收割地上部分进行处理，在一定程度上能减少或除去土壤中的重金属污染物[10]。植物提取是目前最常用的植物修复技术，用于修复的植物须具有发达的地下根系统、快速生长能力以及对重金属具有较强的耐受性，这类植物通常称为超积累植物[11]。龙葵和印度芥菜用于治理Cd污染土壤[12]，蜈蚣草用于富集As[13]。

植物挥发是指利用植物根系分泌物与土壤重金属发生反应或通过植物根系的吸收将重金属元素（主要是Hg、As和Se）转化成气态形式挥发到大气中，但是当重金属挥发到大气中会对大气造成二次污染[14]。

2 植物强化技术

由于单一的植物生物量小、生长周期长和重金属毒害等是制约因素使其修复很难达到预期效果，因此需要其他技术强化植物修复，目前常用的强化技术主要包括农艺强化、化学强化、基因工程强化、接种根际微生物强化等措施。

2.1 农艺强化 农艺措施强化是现阶段植物修复强化中最绿色的措施之一，具体包括施肥、水分管理、育种等技术。其中施肥是最常用的传统农艺措施之一，施肥不仅能促进植物生长，还可以改变土壤pH，进而影响重金属的活性促进植物吸收，常用的肥料有氮、磷、钾肥等[15]。聂俊华采用温室土培方法研究表明，适量的N和K可促进超富集植物羽叶鬼针草、绿叶苋菜和紫穗槐生物量的增加并提高植物对Pb的吸收，但过量N和K会抑制植物对Pb的吸收，而P则极显著降低植物对Pb的吸收[16]。陈同斌通过田间试验研究表明，适量磷肥不仅促进蜈蚣草的生长还显著提高植物对As的修复效率[17]。水分是植物生存的必要因素之一，适量灌溉有助于植物生长，而干旱或洪涝则会导致植物烂根或枯萎抑制植物生长。虽然某些超积累植物（例如蜈蚣草）可以在較为干旱的地方正常生长，但是有研究表明过度缺水会削弱其修复能力[18]。

2.2 化学强化

2.2.1 螯合诱导强化植物修复技术 由于重金属在土壤中大多数以不溶态的形式存在，因此可通过向污染的土壤中添加螯合物提高重金属的可溶性和生物有效性，促进重金属进入植物体，提高植物对重金属的吸收。

螯合剂分为人工螯合剂和天然螯合剂。常见的人工合成的螯合剂有乙二胺四乙酸（EDTA）、乙基三胺五乙酸（DTPA）、氨基三乙酸（NTA）、乙二胺二琥珀酸（EDDS）、谷氨酸N，N-二乙酸（GLDA）等，天然螯合剂有柠檬酸、草酸、酒石酸等[19]。李剑敏采用盆栽实验研究3mmol·kg-1EDTA能够促进Pb向芥菜地上部转移，使地上部的Pb富集总量是不加EDTA的13.1～80倍[20]。曹铁华研究EDDS和真菌联合黑麦草修复Pb污染土壤，结果表明黑麦草的地上部和地下部的Pb富集量分别比对照增加了7.7倍和10.7倍[21]。虽然EDTA强化植物修复效率比较高，但是由于应用到土壤环境中很难降解存在环境风险。因此，可生物降解的螯合剂对土壤环境影响更小[22]。张磊添加4种螯合剂（CA、EDTA、EGTA和EDDS））显著促进棉花对Cd的吸收[23]。卫泽斌采用盆栽实验结果表明GLDA强化东南景天比EDTA和柠檬酸的修复效率都高，其中施2.5mmol·kg-1GLDA东南景天对Cd和Zn的提取量最高，分别是对照的2.5倍和2.6倍[24]。

2.2.2 植物激素强化植物修复技术 植物激素不仅具有促进种子萌发和调节植物生长以及改善植物抵抗病害能力，还可以加速植物对土壤中重金属吸收和螯合，进而提高植物修复土壤重金属污染的效率[25]。已知的植物激素主要有生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸和乙烯5类，而油菜素甾醇也逐渐被公认为第六大类植物激素[26]。He采用盆栽试验研究了1mol/L叶面喷雾促生长激素二乙基氨基己酸乙酯（DA-6）对黑麦草中Cd的提取和解毒作用最有效[27]。

2.3 基因工程强化 基因工程强化修复技术是指把在重金属修复方面的异源目的基因导入到植物基因中，通过在超积累积植物中表达异源目的基因提高植物对重金属的络合、吸收、转移和挥发等修复能力，从而强化植物修复对土壤重金属污染的修复效率[28][28][28]。目前，主要的异源目的基因有植物螯合肽（PCs）、金属硫蛋白（MTs）和重金属转运蛋白等。MTs和PCs与植物对重金属的解毒机制密切相关[29]。金属硫蛋白（MTs）和植物络合素（PCs）含有巯基（-SH）基团，参与重金属的络合和解毒，螯合植物细胞质中的重金属，之后这些复合物通过ATP酶被隔离到液泡中，缓解重金属对植物的危害[30]。

2.4 根际微生物强化 土壤微生物几乎参与土壤环境的一切生理生化活动，在微生物-植物共生系统中，植物根系分泌物为微生物提供充分的营养，这些微生物则分泌植物激素、产铁载体、有机酸等促进植物生长或增强植物抗逆性[31]。根际微生物通常可以分为根瘤菌、丛枝菌根真菌、溶磷微生物和内生细菌等[32]。Huang研究芦苇接种丛枝菌根真菌（AMF）后，不仅缓解了重金属毒性，还提高芦苇对Cd的吸收和分布[33]。田晔添加里氏木霉（FS10-C）制菌剂不仅促进海州香薷的生长提高生物量，还有效改善土壤铜的有效态，提高香薷对铜的吸收[34]。M.Govarthanan将具备产生IAA、ACC脱氨酶、铁素体和磷酸盐增溶能力的木霉（Trichoderma sp.MG）添加到向日葵中，可以有效地治理As污染和Pb污染土壤[35]。

3 结论

相对于传统的物理化学修复措施，植物修复因具备成本低廉、无二次污染、保护土壤结构和符合生态发展等优点而被广泛应用[36]。但是单一的植物修复因其受环境干扰大、修复周期长在实际应用中难以达到预期效果。因此，针对这一弊端，诸多国内外学者研究强化植物修复的技术，目前应用比较广泛的有农艺强化措施、化学强化措施、基因工程强化技术、接种根际微生物强化措施等。但是从长远来看，这些植物修复强化技术还有巨大的改进空间：

（1）高富集和超积累植物通常生长缓慢，生物量低且修复重金属种类相对单一，因此需进一步筛选和培育生物量更大、生长周期更短的高富集和超积累植物，并且能够同时富集多种重金属[37]。

（2）发挥基因工程技术的作用，将生物量大、具有重金属抗性和其他逆境抗性的优秀基因导入高富集和超积累植物基因中，进一步研究转基因的生态安全性问题，转基因植物遗传性能等[38]。

（3）科学合理地调整种植模式、控制土壤水分、合理施用农药、化肥等措施以改善土壤pH、提高土壤微生物的活力，进而改良土壤环境，提高植物修复效率[39]。

（4）加强对高富集和超积累植物的后续处理和资源化回收利用研究，使修复植物得到妥善管理，避免造成二次污染。

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（责编：王慧晴）